第04章 沉降与过滤2

1、化工原理11.1.过滤定义过滤定义：以多孔材料为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留，从而实现固、液分离的操作。2.2.过滤目的：过滤目的：获得清净的液体或固体产品，常作为沉降、结晶、固液反应等操作的后续过程；3.3.过滤特点：过滤特点：属于机械分离操作，与蒸发、干燥等非机械分离操作相比，其分离速度较快，能量消耗较低。一、基本概念一、基本概念第三节第三节 过滤过滤化工原理24.4.用途：用途：分离悬浮液(suspension)5.5.相关术语：相关术语：滤浆(料浆) (slurry)滤液(filtrate)滤饼(滤渣) (filter residue)过滤介质

2、(filter medium)化工原理36.6.过滤介质：过滤介质：F特性：特性：多孔多孔流阻小流阻小机械强度高机械强度高耐热、耐腐蚀耐热、耐腐蚀F分类：分类：织物介质织物介质：棉、毛、丝、麻等天然纤维和各种合：棉、毛、丝、麻等天然纤维和各种合成纤维制成的织物以及由玻璃丝、金属丝等织成的网成纤维制成的织物以及由玻璃丝、金属丝等织成的网可截留颗粒的最小直径为可截留颗粒的最小直径为565 m粒状介质：粒状介质：包括砂、木炭、分子筛等细小而坚硬包括砂、木炭、分子筛等细小而坚硬的颗粒状物质的颗粒状物质, ,一般堆积成固定床层一般堆积成固定床层, ,多用于深层过滤。多用于深层过滤。化工原理47.7.过滤

3、方式过滤方式 操作推动力 重力压强差离心力有无滤饼 饼层过滤深床过滤多孔性固体介质多孔性固体介质：包括由多孔陶瓷、多孔塑料及：包括由多孔陶瓷、多孔塑料及多孔金属等制成的管或板多孔金属等制成的管或板, ,可截留颗粒的最小直径为可截留颗粒的最小直径为13 m。 多孔膜多孔膜：在超滤和微滤中以多孔无机膜、有机膜为：在超滤和微滤中以多孔无机膜、有机膜为介质介质, , 可截留颗粒在可截留颗粒在1 m以下的微细颗粒以下的微细颗粒。化工原理5 1 1）深床过滤）深床过滤(bed filter): :当颗粒随液体进入床层内细长而弯曲的孔道时，在静电及分子间引力的作用下，颗粒将被吸附于孔道壁面上，而在过滤介质床

4、层之上并不形成滤饼层。深床过滤深床过滤化工原理6深层过滤中真正起过滤作用的是过滤介质。深层过滤适用于颗粒很小、含量很低(固相体积分率1%)1%)的悬浮液的悬浮液。2 2）饼层过滤）饼层过滤(cake filter): :将悬浮液置于过滤介质的一侧，将悬浮液置于过滤介质的一侧，固体被过滤介质截留形成滤饼层，而液体则通过过滤介质固体被过滤介质截留形成滤饼层，而液体则通过过滤介质形成滤液。形成滤液。化工原理8滤饼种类：滤饼种类：F不可压缩滤饼：当p时,(流阻/滤饼厚度)constF可压缩滤饼：当p时,(流阻/滤饼厚度)助滤剂助滤剂(filter aid)F用法：F常用：硅藻土、珍珠岩粉、纤维粉末、碳

5、粉和石棉粉F使用量一般不超过固体颗粒质量的0.5。F一般以回收清净液体为目的的过滤，使用助滤剂是合适的。 防堵、减阻预涂法预混法化工原理93/3,mm床层体积空隙体积1.1.空隙率空隙率: :讨论：讨论：l 1-：床层中固体颗粒所占的体积：床层中固体颗粒所占的体积l 操作时，操作时，也为滤饼中的液体分率也为滤饼中的液体分率l d越大，越大，越大；越大；d越小，越小，越小越小二、床层特性参数二、床层特性参数化工原理102.2.比表面积比表面积: :3m2ma，颗粒体积颗粒表面积3.3.当量直径（当量直径（kozenykozeny）:m:m润湿周边长流通截面积水力半径44edade)1 (流道表面

6、积流道容积流道长度流道长度化工原理11长度与滤饼厚度长度与滤饼厚度相同的一组平行细相同的一组平行细管管垂直的通道，其垂直的通道，其当量直径为当量直径为de可由滤饼的孔隙率可由滤饼的孔隙率和比表面积来表示和比表面积来表示简化：简化：化工原理12三、过滤速度和过滤速率三、过滤速度和过滤速率1.1.过滤速度过滤速度( (u) )：单位时间通过单位过滤面积的滤液体积单位时间通过单位过滤面积的滤液体积,m,m3 3/(m/(m2 2s)s) AddVu 1uu 2fd32Plu ade)1( la c223P)1(u lu c2e1Pd 化工原理13 LpaKuc 223)1(1 Lpac 223)1(

7、5层流层流2.2.过滤速率过滤速率( )( )： LpaAVuc223)1 (5ddddV单位时间获取的滤液体积单位时间获取的滤液体积,m,m3 3/s/sLpAaVc223)1 (5dd过滤速率过滤速率化工原理143.3.滤饼阻力滤饼阻力 LpaAVuc223)1 (5dd322)1(5 ar令令滤饼比阻滤饼比阻( (单位厚度滤饼的阻力单位厚度滤饼的阻力,1/m,1/m2 2) )rLpAVucddrLR Rpc 滤饼阻力滤饼阻力, ,1/m1/m化工原理154.4.过滤介质阻力：过滤介质阻力：mmRpAVdd过滤过滤速度速度滤饼处：滤饼处： RpAVcdd=过滤介质处：过滤介质处：总速度：

8、总速度：)()(ddmmmcRRpRRppAV+=+=)(eLLrp meRrL 令令虚拟滤饼厚度虚拟滤饼厚度过滤压强差过滤压强差( (当量当量) )化工原理16说明：说明：当操作条件和过滤介质一定时，当操作条件和过滤介质一定时， eL为常数；为常数；同一介质在不同的过滤操作中同一介质在不同的过滤操作中eL并不相同并不相同 化工原理17四、过滤基本方程式四、过滤基本方程式1.1.不可压缩滤饼过滤基本方程式不可压缩滤饼过滤基本方程式VLA 33mm，滤液体积滤饼体积虚拟虚拟( (当量当量) )滤液体积滤液体积AVL 同理：同理：AVLee )(ddeLLrpAV )(ddeVVrpAAV+=(

9、(过滤速度过滤速度) ) )(dd2eVVrpAV( (过滤速率过滤速率) )化工原理18)(dd2eVVrpAV 滤饼面积滤饼面积 A p ：推动力：推动力 u 、r：料浆的物性：料浆的物性讨论：讨论： A p u化工原理19sprr)(0单位压强差下的比阻单位压强差下的比阻压缩性指数压缩性指数(s=0(s=01)1)(dd012esVVrpAV过滤基本方程过滤基本方程适用适用可压缩滤饼可压缩滤饼 不可压缩滤饼不可压缩滤饼(s=0)(s=0)2.2.可压缩滤饼过滤基本方程式可压缩滤饼过滤基本方程式化工原理20例：已知某悬浮液中固相的质量分率为例：已知某悬浮液中固相的质量分率为0.139，固相

10、，固相密度为密度为2200kg/m3，液相为水，每，液相为水，每1m3滤饼中含滤饼中含500kg水，其余全为固相。求滤饼体积与滤液体积水，其余全为固相。求滤饼体积与滤液体积之比之比 。 (1)以以1m3滤饼为基准。滤饼为基准。解：解：1m3滤饼中滤饼中 水：水：500kg 固体：固体：体积体积0.5m3需要滤浆的质量为需要滤浆的质量为 kg7 .7913139. 01100 质量质量1100kg，化工原理21生成的滤液质量为生成的滤液质量为 7913.7-500-11006313.7kg 158. 03137. 61 (2)(2)以以1kg悬浮液为基准悬浮液为基准 1kg悬浮液中悬浮液中 水：

11、水：0.861kg 固体：固体：0.139kg颗粒体积：颗粒体积： 351032. 62200139. 0m 化工原理22每每1m3滤饼中含滤饼中含500kg水，即固相体积分率为水，即固相体积分率为0.5。滤饼体积：滤饼体积： 34510264. 15 . 01032. 6m滤饼中含水：滤饼中含水： kg0632. 050010264. 14=则则1kg悬浮液生成的滤液质量为悬浮液生成的滤液质量为158. 010798. 010264. 134=0.861-0.06320.798kg化工原理23(3)(3)设得到设得到1m3滤液可得到滤液可得到x m3滤饼滤饼 22005 . 0 x139.

12、022005 . 0=x10005 . 0+x1000 解得：解得： 158. 0=x化工原理24五、恒压过滤五、恒压过滤特点：特点：p p不变不变 ddV)(dd12esVVrpAV)(1 rk 1.1.恒压过滤方程式恒压过滤方程式dpkAdVVVse- 12)(l以以)(eVV 作为变量整体作为变量整体)(dd12esVVpkAV)()()(- 12eseedpkAVVdVV化工原理25eV0过滤时间过滤时间滤液体积滤液体积边界条件：边界条件：)()(2112200esepkAVVeeV+=spkK12eeKAV22e0eeesVeedpkAVVdVV0- 120)()()(化工原理26l

13、以以V+Ve作为变量整体作为变量整体过滤时间过滤时间滤液体积滤液体积边界条件：边界条件：sepkAVVeeVV122)(210222KAVVVeVVVee0ee0)()()(- 12eseedpkAVVdVV化工原理27eeKAV22=KAVVVe222=+ AVqAeVeq)()(22eeKAVV+=+eeKq2Kqqqe 22)()(2eeKqqeeKAV22)(K)(22eeAVV若介质阻力可忽略，即若介质阻力可忽略，即 00 eeqV，Kq 222KAV222KAVVVe化工原理28化工原理292.2.过滤常数过滤常数spkK- 12 AeVeq=Kqee2=K物料特性及过滤压强差决定

14、，物料特性及过滤压强差决定，sm2过滤常数过滤常数同一滤浆：同一滤浆： sppKK1)(eeq 、反映了过滤介质阻力大小反映了过滤介质阻力大小介质常数介质常数23mmeqse化工原理30变化变化p 可压缩可压缩: :不可压缩：不可压缩：eeqK,均变化均变化 eK,eq不变不变 变化变化 滤布阻力不变，即滤布阻力不变，即 emrLR =恒定，r0常数=esqpqpres0=化工原理31例例1：已知，：已知， p=9.81 l03Pa，水，水 =1.0 10-3Pa s，滤饼不可压缩，滤饼不可压缩，过滤介质阻力可忽略。求过滤介质阻力可忽略。求(1)q=1.5m3/m2时的时的 ；(2) =2 时

15、，可再得多少滤液时，可再得多少滤液?，33/mm333. 0 2101/m 10333. 1 r解：解： (1)(1)0rr , 0 sspkK 12Kq2 (2)(2)Kqqq=新滤液量sm1042. 42230rps509 23/mm12. 22K23/mm62. 05 . 112. 2 化工原理32例例2：有一板框过滤机，：有一板框过滤机，p1.5atm下恒压过滤某下恒压过滤某一种悬浮液，一种悬浮液，2小时后得滤液小时后得滤液40m3，过滤介质阻力，过滤介质阻力可忽略不计。可忽略不计。(1)其它条件不变，过滤面积加倍，可其它条件不变，过滤面积加倍，可得滤液多少？得滤液多少？(2) p加倍

16、，滤饼可压缩，压缩指数加倍，滤饼可压缩，压缩指数0.25，2小时后可得滤液多少？小时后可得滤液多少？(3)其它条件不变，其它条件不变，操作时间缩短操作时间缩短1小时，可得滤液多少？小时，可得滤液多少？解：解：(1)(1)恒压过滤，阻力忽略不计恒压过滤，阻力忽略不计22KAVspkK 12rk1=料浆定，料浆定，k k为定值为定值 1212AAVV 312802402mVV 化工原理33(2) (2) p 变，变，K K改变改变212Apks22KAVsppVV 112212)()(225. 011212)( ppVV31252297. 140297. 1mVV (3)操作时间缩短操作时间缩短1

17、小时，小时，K不变不变21)(12212VV1221VV 297. 12375. 0 33 .28707. 040m 化工原理34六、恒压过滤常数的测定六、恒压过滤常数的测定1.1.恒压下恒压下 的测定：的测定：eeqK,)()(2eeKqq+=+Kqqqedd)(2=+22ddeqKqKq+=eqKqKq22化工原理35eqKqKq22K2斜斜率率KeqK2截截距距eqKqee2eqq化工原理36 )(sq)(lVq /q 1231V2V3V1q2q3q1231q2q 3q 11/q22/ q33/ q000化工原理37qq化工原理382. 2. 的测定：的测定：ks和和spkK 12)2l

18、g()lg()1 (lgkpsK+=sk和和画图画图化工原理39例3：以小型板框压滤机对碳酸钙颗粒在水中的悬浮液进行过滤试验，测得数据列于下表，已知过滤面积为0.093m2,求（1）过滤压强为1.05kgf/cm2时的过滤常数K、qe及e ;(2)滤饼的压缩性指数s; (3)若滤布阻力不变，试写出此滤浆在过滤压强差为2.0kgf/cm2时的过滤方程式。过滤压强差p,Kgf/cm2过滤时间,s滤液体积V,m31.05502.2710-36009.1010-33.5017.12.2710-32339.1010-3化工原理40解：解：(1)(1)求求 kPap103 =下的下的 eeqK ,Kqqq

19、e 222093. 0mA 50093. 01027. 22)093. 01027. 2(11323=+Kqe660093. 0101 . 92)093. 0101 . 9(11323 Kqe2331/1091. 3mmqe smK/10572. 1251 1211/Kqee=s971. 010572. 1)1091. 3(523 化工原理41(2)(2)滤饼的压缩性指数滤饼的压缩性指数S SsmKkPap/10572. 11032511 时时，1 .17093. 01027. 22)093. 01027. 2(22323 Kqe233093. 0101 . 92)093. 0101 . 9(

20、22323 KqesmKmmqe/10355. 4/1005. 32522332=?4 .34322 KkPap时时，化工原理42s 155)4 .343103(10355. 410572. 1解得：解得： S0.153(3)(3)若滤布阻力不变，试写出在若滤布阻力不变，试写出在 kPap2 .196 时的过滤方程式时的过滤方程式 153. 013131)( ppKK153. 0135)2 .196103(10572. 1 KsmK/10714. 2253 sppKK12121)(=化工原理43滤布阻力不变，即滤布阻力不变，即 emrLR 恒恒定定， r常数=esqpsepq-153. 013

21、13)1032 .196( ）（seeppqqsmqe/10544. 3)1032 .196(1091. 323153. 033 sKqee463. 010714. 2)10544. 3(/5233233)463. 0(10714. 2)10544. 3(523q常数常数 esqpr化工原理44第三节第三节 过滤过滤七、过滤设备七、过滤设备1.1.板框压滤机板框压滤机 间歇式间歇式化工原理45l 板板框框结结构构l组装顺序组装顺序化工原理46l过滤阶段过滤阶段l洗涤阶段洗涤阶段化工原理47l滤液排出方式滤液排出方式 管管一一起起排排出出各各板板流流出出滤滤液液汇汇集集于于总总暗暗流流液液用用滤

22、滤板板底底部部侧侧管管均均排排滤滤明明流流:l洗涤方式：横穿洗涤法洗涤方式：横穿洗涤法AA21W EW)(2)(eeLLLL 化工原理48l型号：型号：B M S 20/635-25板框压滤机板框压滤机明流式明流式(A暗流式暗流式)手动压紧手动压紧(Y液压压紧液压压紧)框厚框厚25mm框内每边长框内每边长635mm过滤面积过滤面积20m2化工原理49化工原理50化工原理512.2.转筒真空过滤机转筒真空过滤机 连续式连续式l 结结构构化工原理52转筒及分配头：转筒及分配头：化工原理53l 工工作作原原理理1-71-7过滤区过滤区8-10 8-10 吸干区吸干区f f槽槽 滤液通路滤液通路11

23、11 不工作区不工作区 不与任何凹槽相连不与任何凹槽相连12-1312-13 洗涤区洗涤区14 14 吸干区吸干区g g槽槽 洗液通路洗液通路15 15 不工作区不工作区16-1716-17吹松区、卸料区吹松区、卸料区 h h槽槽 压缩空气压缩空气18 18 不工作区不工作区与真空与真空管相连管相连化工原理54化工原理553 3、加压叶滤机、加压叶滤机化工原理564、带式过滤机、带式过滤机化工原理575 5、三足式离心过滤机叶滤机、三足式离心过滤机叶滤机化工原理586 6、袋式过滤机、袋式过滤机化工原理59灰尘灰尘含尘气体含尘气体净化气体净化气体灰尘灰尘灰尘灰尘重力沉降室重力沉降室旋风分离器旋

24、风分离器袋滤器袋滤器离心风机离心风机含尘气体的分离系统含尘气体的分离系统化工原理607、深床过滤、深床过滤化工原理61八、滤饼的洗涤八、滤饼的洗涤1.1.洗涤速率：洗涤速率：洗涤时：洗涤时：单位时间消耗的洗水容积，单位时间消耗的洗水容积，m m3 3/s/swwVVW)dd( W若若恒定恒定p 恒定恒定eLL W)dd(V定值定值EW)dd()dd(VVEW)( pp 化工原理62dKAdVVVe2E)(2)()(22eEeKAVVE2)(2)(eEVVKAddVEesEesEVVrpALLrpAV)()()dd(01201过滤终了时过滤速率（恒压操作）：过滤终了时过滤速率（恒压操作）：E2)

25、(2eVVKA1 1、2 2、化工原理63l置换洗涤时置换洗涤时EW)()(eeLLLL AA W EW)dd()dd(VVE2)(2eVVKA l横穿洗涤时横穿洗涤时EW)(2)(eeLLLL AA21W E2EW)(8)dd(41)dd(eVVKAVV化工原理64l洗涤时间：洗涤时间：WWW)d(dVV若若 WEW)( pp )(WWWWpp则 或或 化工原理65九、过滤机的生产能力九、过滤机的生产能力1.1.间歇过滤机的间歇过滤机的Q ：生产能力生产能力( (Q) )单位时间获取的滤液体积，单位时间获取的滤液体积，m3/hTVQ3600 DWT 操作操作周期周期过滤过滤时间时间洗涤洗涤时

26、间时间辅助辅助时间时间hm,36003DWVQ化工原理66例：用框数为例：用框数为26的的BMS20/635-25压滤机恒压过滤压滤机恒压过滤每升水中含每升水中含25g固相的悬浮液固相的悬浮液,料浆温度为料浆温度为25oC,已已知，知， , 。每次过滤。每次过滤完毕用清水洗涤滤饼完毕用清水洗涤滤饼,洗水温度及表压与滤浆相同洗水温度及表压与滤浆相同而体积为滤液的而体积为滤液的8%。辅助操作时间为。辅助操作时间为l5min。已知。已知固相密度固相密度2930kg/m3,饼密度饼密度1930kg/m3。求。求Q。 /sm10678. 124 K23/mm0217. 0 eqTVQ3600 VT恒压过

27、滤方程恒压过滤方程WD化工原理67解：解：22m21262635. 0 A过滤面积过滤面积32m262. 026025. 0635. 0 滤框总容积滤框总容积假设假设1m1m3 3滤饼含滤饼含x kgkg水水, ,则则1100029301930 xxkg518 x(1)(1)求求V1m1m3 3滤饼对应滤浆质量滤饼对应滤浆质量kg57890251025)5181930( 1m1m3 3滤饼对应滤液质量滤饼对应滤液质量kg55960193057890 化工原理681m1m3 3滤饼对应滤液体积滤饼对应滤液体积3m96.55100055960 滤饼充满滤框时对应的滤液体积滤饼充满滤框时对应的滤液体积3m66.14262. 096.55 V过滤终了时的过滤终了时的q值值23mm6981. 02166.14 AVq(2)(2)求求)()(2eeKqq恒压过滤方程式恒压过滤方程式)81. 2(10678. 1)0217. 06981. 0(42s3085化工原理69(3)(3)求求WVVW%8 3173. 166.1408. 0m EW)dd(41)dd(VVE2)(241eVVKA sm /10119. 634 34557. 0210217. 0mAqVee